Amplificatori Gli amplificatori Enzo Gandolfi Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 1 Amplificatori Amplificatore Un amplificatore può essere visto come una scatola nera collegata ad un alimentatore che riceve un segnale in ingresso con potenza Pi e ne produce uno in uscita con potenza amplificata Po Alimentatore P0 Amplificatore Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo P1 = kP0 2 Amplificatori Amplificatori Gli amplificatori possono essere divisi in 4 categorie: • • • • Amplificatori di tensione Amplificatori di corrente Amplificatori a transresistenza Amplificatori a transconduttanza Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 3 Amplificatori Amplificatore di tensione Bassa Ro Amplificatore di tensione Rs Ro Vs Vi Ri AvVi Alta Ri Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 4 Amplificatori Amplificatore di corrente Amplificatore di corrente Alta Ro Ii Is Rs Ri AiIi Ro Bassa Ri Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 5 Amplificatori Amplificatore di transresistenza Bassa Ro Amplificatore di transresistenza Ii Ro Is Rs Ri rmIi Bassa Ri Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 6 Amplificatori Amplificatore a transconduttanza Amplificatore di transconduttanza Alta Ro Rs Vi Vs Ri gmVi Ro Alta Ri Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 7 Amplificatori Guadagno di un amplificatore in funzione della frequenza • Il guadagno di un amplificatore varia in funzione della frequenza del segnale di ingresso, e in prima approssimazione è esprimibile nel seguente modo: A0 • Per la parte ad alta frequenza: Af • Per la parte a bassa frequenza: f 1 j fh A0 Af fl 1 j f Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 8 Amplificatori Per le Basse frequenze: Af Ao fl 1 j f A Ao Ao Afl Ao 2 frequenza fl Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 9 Amplificatori Per le Alte frequenze: Af Ao 1 j f fh A Ao Afh Ao 2 fh Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo frequenza 10 Amplificatori Banda Passante La Banda passante di un amplificatore è definita come l’intervallo di frequenze [fl,fh] nel quale l’amplificazione è maggiore di Ao/2 A A0 A0 2 fl Banda Passante fh Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo frequenza 11 Amplificatori La Controreazione X e A Y • • • • • Y = Ae e = X-Y Y = A(X - Y) Y = AX - A Y Y (1+AY) = AX Y La controreazione (reazione negativa) consiste nel portare (sottrarre) all’ingresso parte del segnale di uscita A Y X 1 A Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 12 Amplificatori La Controreazione • Dalla precedente formula risulta che, il guadagno di un amplificatore controreazionato (Ar) è: A Ar 1 A • Per valori di A molto grandi, si ottiene: lim Ar A 1 1 A 1 Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 13 Amplificatori Osservazione • Controreazionando un amplificatore il suo guadagno diminuisce, infatti Ar < A. • Il guadagno Ar, se A è elevato, dipende essenzialmente da . • Il guadagno di un amplificatore controreazionato sarà molto piu’ stabile e controllabile poichè dipende solo da componenti passivi. Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 14 Amplificatori Proprietà della controreazione • Stabilizzazione del guadagno • Modifica della risposta in frequenza quindi Riduzione della distorsione • Modifica di Ri e R0 • (Stabilizzazione del punto di lavoro) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 15 Amplificatori Stabilizzazione del guadagno A Da Ar otteniamo: 1 A Ar 1 A A 1 2 2 A 1 A 1 A Ar A Ar 1 A 1 A Ar Ar 1 A A 1 A 1 A A Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 16 Amplificatori Osservazione • Se un amplificatore viene controreazionato le variazioni del suo guadagno vengono attenuate di un fattore pari a (1+A). • Ciò ci consente di avere amplificatori meno sensibili a fattori esterni. Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 17 Amplificatori Controreazione e banda passante • Il guadagno di un amplificatore al variare della frequenza, viene espresso dalle seguenti formule: Per la parte ad alta frequenza Per la parte a bassa frequenza Af A0 f 1 j fh A0 Af fl 1 j f Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 18 Amplificatori Controreazione e banda passante • Nel caso di amplificatori con controreazione si ha: A fr Af Quindi per le alte frequenze: 1 A f A0 A fr 1 j 1 f fh A0 1 j f fh f 1 j A0 fh f f 1 j 1 j A0 fh fh Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 19 Amplificatori Controreazione e banda passante A0 A0 1 A0 A fr f f 1 A 0 1 j A0 1 j A0 fh fh A0 1 A0 1 Aor f f 1 f hr f h 1 A0 1 Guadagno controreazionato a centro banda Dove fhr =fh(1+A0) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 20 Amplificatori Controreazione e banda passante • L’amplificazione, Afr, di un amplificatore controreazionato, per le alte frequenze può essere espresso come: A fr Af f 1 f hr dove f hr f h( 1 A0 ) Ragionando allo stesso modo, anche per le amplificazione dei segnali a bassa frequenza si otterrà: Af fl A fr dove f lr f lr ( 1 A0 ) 1 f Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 21 Amplificatori Conclusioni • La controreazione aumenta la banda passante di un amplificatore, infatti dalle precedenti relazione risulta: – fhr =fh(1 + A0) – flr = fl/(1 + A0) • Ne segue che, un amplificatore controreazionato diminuisce la distorsione del segnale in ingresso. Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 22 Amplificatori Conclusioni • Nell’amplificatore controreazionato l’aumento della banda passante coincide con una diminuzione dell’ampiezza dell’amplificazione, ma questo è un problema secondario, che può essere risolto mettendo più amplificatori in cascata. Amplificatore non controreazionato Amplificatore controreazionato A Ao Aor frequenza Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 23 Amplificatori Alimentatore Amplificatore Ei Eo Amplificatore di tensione ALTA IMPEDENZA D’ Vs INGRESSO Rs Vi Ri AvVi Ro Vo RL BASSA IMPEDENZA D’ USCITA Amplificatore di corrente BASSA IMPEDENZA D’ Is INGRESSO Ii Rs Ri AiIi Ro Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo Vo RL ALTA IMPEDENZA D’ USCITA 24 Amplificatori Amplificatore a transresistenza BASSA IMPEDENZA D’Is INGRESSO Ii Rs Ri r mI i Ro Vo RL BASSA IMPEDENZA D’ USCITA RL ALTA IMPEDENZA D’ USCITA Amplificatore a transconduttanza ALTA IMPEDENZA Vs D’INGRESSO Rs Vi Ri gmVi Ro Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo Vo 25 Amplificatori Amplificatore di tensione Rs Vs Ro Vi Ri AvVi RL Vo Vf Vf = Vo Feedback di TENSIONE composto in SERIE Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 26 Amplificatori Rs Vs Vi Ro Ri AvVi RL Vo Vf Vf = V0 Feedback di TENSIONE composto in SERIE Analisi qualitativa La resistenza di ingresso Ri, vista da Vs, per effetto della controreazione in serie è maggiore in quanto la corrente che entra nell’amplificatore diminuisce a causa della tensione di feedback che si oppone a Vs. Analisi quantitativa: per semplicità si considera un generatore ideale Vs con resistenza interna Rs = 0. Vs Vi V f Vi Av Vi Vi (1 Av ) Vi Rif (1 Av ) Ii Ii Ii Ii Ii Rif = Ri (1 + Av ) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 27 Amplificatori Rs Vi Vs Ro Ri AvVi Vo Vf Vf= V0 RL Feedback di TENSIONE composto in SERIE La controreazione stabilizza la tensione in uscita al variare del carico, come se la resistenza di uscita fosse minore. Analisi qualitativa: un eventuale generatore Vo applicato all’uscita vede in parallelo a Ro il ramo di feedback. Analisi quantitativa: si deve cortocircuitare Vs e procedere all’analisi del circuito tenendo presente che il ramo di feedback non assorbe corrente Vo Vo Vo Vo Rof Ro Ro V A V Io Vo Av Vo Vo (1 Av ) o v i Ro Rof = Ro / (1+ Av ) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 28 Amplificatori Amplificatore di corrente Ii Is Rs Io If Ri If = Io A i Ii Ro RL Io Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 29 Amplificatori Analisi qualitativa Io Ii Is Rs If Ri If = Io A i Ii Ro RL Io La resistenza di ingresso Ri vista da Is, diminuisce a causa del feedback, in quanto essa è vista in parallelo al ramo di feedback. Anche in questo caso si considera Is generatore ideale, con Rs infinita. Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO Rif Vi Vi Vi Vi Vi V 1 i I s I f I i I o I i Ai I i I i I i (1 Ai ) I i (1 Ai ) Rif = Ri / (1+Ai) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 30 Amplificatori Io Ii Is AiIi Ri Rs If If = Io Ro RL Vo Feedback di CORRENTE composto in PARALLELO 1 - La controreazione stabilizza la corrente in uscita al variare del carico, come se la resistenza di uscita fosse maggiore. 2 - Un eventuale generatore Vo applicato all’ uscita (una volta aperto Is ) vede crescere Ro per effetto del feedback che è posto in serie. Analiticamente sostituiamo RL con Vo( nota che Io avrà verso opposto) e togliamo Is avremo: Vo Ro ( I o Ai I i ) Ro ( I o Ai I f ) Ro ( I o Ai I o ) Ro I o (1 Ai ) Rof Io Io Io Io Io Rof = Ro (1+ Ai) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 31 Amplificatori Amplificatore a transresistenza Ro Ii Is Rs If Ri If = Vo rm Ii RL Vo Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 32 Amplificatori Ii Is Rs Analisi qualitativa Ro If rmIi Ri If=Vo Vo Rl La resistenza di ingresso vista da Is diminuisce con la controreazione in quanto è vista in parallelo al ramo di feedback. Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO Rif Vi Vi Vi Vi Vi V 1 i I s I f I i Vo I i rm I i I i I i 1 rm I i 1 rm Rif = Ri / (1+rm) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 33 Amplificatori Ii Is Rs Ro If rmIi Ri If=Vo Analisi qualitativa: Vo Feedback di TENSIONE composto in PARALLELO Rl La resistenza di uscita diminuisce in quanto un generatore esterno vede Ro in parallelo al ramo di Feedback Analisi quantitativa La corrente che circola nella maglia di uscita una volta aperta Is può essere calcolata partendo dalla relazione Vo - rm Ii = Ro Io e tenendo presente che If = Vo si ha Vo - rm Ii = Vo+ rm Vo = Vo(1+ rm ) = Ro Io Vo / Io = Ro / (1 + rm ) = Rof Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 34 Amplificatori Amplificatore a transconduttanza Rs Vs Io Vi Ri gmVi Ro RL Io Vf V f = Io Feedback di CORRENTE composto in SERIE Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 35 Amplificatori Analisi qualitativa La resistenza di ingresso vista da Vs aumenta con la controreazione, in quanto è vista in serie al ramo di feedback. Vs Vi V f Vi g mVi Vi (1 g m ) Vi Rif 1 g m Ii Ii Ii Ii Ii Rif = Ri (1+gm) 1 - La controreazione stabilizza la corrente in uscita al variare del carico come se la resistenza di uscita fosse maggiore. 2 - Un eventuale generatore applicato all’uscita (una volta cortocircuitato Vs) vede in serie a Ro il ramo di feedback. Rof = Ro (1+gm) Laboratorio di Fisica dei dispositivi elettronici III°modulo 36
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